不完全冻结式冰盘管融冰过程的实验研究

摘要：通过不完全冻结式冰盘管融冰过程的实验研究，分析了水平排列管束外环水温度的变化特性，得出了融冰后期环水升温的过程存在一个升温平台的结论，进而研究了不同初始蓄冰量等因素对环水温度变化特性的影响。

关键词：冰蓄冷；不完全冻结；融冰过程
Temperature variation in surrounding water during discharge for apartially charged iceoncoil thermal storage tank
LI Haijun, CHEN Guobang, WU Guangqing
(Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, Zhejiang Unive
rsity ,
Ha ngzhou 310027, China)
Abstract: The experimental investigations for the partial charged method of internal melt iceoncoil during a discharging cycle were ca rried out. Characteri stics of water temperature variation around the tubes aligned horizontally in the tank were analyzed. The experiment al results show that the increasing process of water temperature in s urroundings will stagnate by the end of a discharging cycle. Then thi s paper makes a further research of the effects of initial ice storag e capacity and other factors on the characteristics of water temperat ure variation in surroundings.
Keywords: ice storage tank; partial charging; discharging cycle
0引言
冰蓄冷空调技术，是在电力负荷较低的夜间用电低谷期采用制冷机制冷，利用冰的潜热特性，将冷量储存起来，在电力负荷较高的白天用电高峰期，把冰中储存的冷量释放出来满足建筑物空调或生产工艺的要求，从而达到转移尖峰电力负荷、节省电费和降低设备容量等目的。

在当前使用的多种蓄冰系统中，内融冰盘管式蓄冰槽具有可靠性好、制冰率(Ice Packing Factor，简称IPF)高、融冰速率快等优点，因此得到了广泛的应用。

内融式冰盘管在制冰和融冰过程中，蓄冰槽内部的水静止不动，只借助于盘管内的载冷剂的温度变化来实现制冰和融冰，与蓄冰结束时蓄冰槽内需保持5 0％以上冷水预备抽水融冰的外融冰盘管式冰蓄冷系统相比[1]，内融冰盘管式冰蓄冷系统在蓄冰时蓄冰槽内不需预留用以抽水融冰的冷水，从而系统具有较高的制冰率，可以达到70%以上[1]，因此这种内融式冰盘管有时候也被称为完全冻结式冰盘管。

但是，在完全冻结式冰盘管的融冰过程中，融冰主要靠紧贴盘管外壁面已融化的水与未融化的冰之间的自然对流和已融化的水的导热来进行换热（如图1a所示）。

随着融冰过程的进行，盘管外表面与冰之间的水层逐渐变厚，使得换热热阻逐渐增大（主要是水的导热热阻增大），使得盘管出口温度逐渐升高，而融冰速率逐渐变小。

尤其是在融冰过程后期，蓄冰槽内的余冰难以融化，冷量难以完全释放，文献2、3中的实验结果均说明了这一点。

为了克服完全冻结式冰盘管这一缺点，文献4提出不完全冻结式冰盘管这一概念，它是指在蓄冰结束后，在蓄冰槽内水平排列的管束周围还存在少量液态水（以下简称环水，如图1b所示），融冰时在这部分环水的浮力作用下，冰层与盘管的底部能保持良
好接触，从而改善载冷剂与冰水之间的传热性能，保证稳定的融冰速率和较低的载冷剂出口温度。

由于蓄冰结束时须保留少量液态水，该系统的制冰率较完全冻结式低，但具有融冰速度快、出口温度低等优点。

从图1b中可以看出，在不完全冻结式融冰过程中，冰层外表面与静态环水之间的换热方式主要是自然对流。

由于融冰过程中盘管紧贴着冰层底部，冰层比完全冻结式融破得早（过程3），而冰层破碎后形成的碎冰上浮促进了蓄冰槽内环水的自然对流换热（过程4），进而对蓄冰槽的整体传热性能产生一定的影响。

研究管束外环水温度的变化特性有助于深入理解不完全冻结式冰盘管的融冰特性。

因此，本文实验研究了不完全冻结式冰盘管融冰过程中环水温度的变化特性，并在此基础上讨论了初始蓄冰量等因素对环水温度变化特性的影响。

1实验设备简介
本文为验证模型而搭建的实验台主要由制冷主机和蓄冰设备两部分构成，图2a为系统流程简图。

制冷主机为双工况风冷机组，名义制冷量17.6kW。

在外形尺寸3.1m×0.7m×1.6m、内部尺寸为2.8m×0.45m×1.3m的蓄冰槽内，置有4根水平排列、长度均为85m的蛇形盘管，相邻盘管的水平间距为40mm，垂直间距为80mm，盘管外径为20mm，壁厚2mm。

温度传感器T1、T2分别用以测量蓄冰
槽进出口的载冷剂（容积浓度为25％的乙二醇水溶液）温度，压力传感器P3测量蓄冰槽内水的液位，从而算出蓄冰量和融冰量。

蓄冰槽的标准蓄冰量为18RT h（即63.3kWh），系统用电加热器来模拟冷负荷，最大功率为10kW。

其中，蓄冰槽内的叉排管束采用新型的导热塑料盘管，具有良好的防腐蚀性能，整个盘管水平布置，在结构上保证融冰过程中冰层可以上浮并与盘管保持良好接触。

如图2b所示，为了测量蓄冰槽内叉排管束的环水温度，3个陶瓷型工业铂电阻温度计（规格为Pt100，ψ1.6mm×15mm，测量精度0.3K）分别安装在距槽壁15mm左右的上部（A）、中部（B）、下部（C）三个测点。

在融冰实验中，当环水温度到达4℃左右时，可以认为融冰过程结束。

2实验结果及分析
2.1两种典型初始蓄冰量条件下环水温度的变化特性
不完全冻结方式融冰要求在蓄冰结束时必须保留适量冷水，以保证冰层在整个释冷过程中与盘管保持接触，这部分剩余水的温度在0℃附近。

当融冰开始后，冰层中临近盘管的部分在高温载冷剂的作用下开始融化成水，若是蓄冰结束时相
邻盘管外的冰层并未相交，则在融冰过程中各冰层互不影响，可以自由上浮；若是蓄冰结束时冰层相交，则各冰层相互影响，传热情况变得复杂。

因此研究初始蓄冰量对环水温度变化特性的影响具有重要意义。

在本文的实验装置中，当蓄冰量达到18RTh（即63.3kWh）时，相邻盘管间的冰层恰好相切，如图3a所示，此时制冰率IPF＝58％，即蓄冰槽内已有58％的水结冰；若继续蓄冰，当蓄冰量达到26RTh（即91.4kWh）时，IPF＝83％，此时冰层已经相交，如图3b所示，这两种情况下的融冰都是以不完全冻结方式完成的。

图4a和图4b分别是初始蓄冰量为18RTh和26RTh时，在载冷剂进口温度为8℃、载冷剂流速为2.36m3/h条件下的环水温度随释冷率的变化曲线。

从图中可以看出，环水温度变化过程大致可以分为三个阶段：从融冰刚开始至释冷率达到70%左右时，A、B、C三个测点的环水温度基本保持在0.6～0.9℃不变，这是第一阶段，在这一阶段冰层阻挡了环水与盘管的直接接触，槽体漏热的影响又很小，从而使得环水温度得以保持较长时间稳定。

第二阶段开始于环水温度逐步升高，
至2℃左右保持一段时间的平稳（即释冷率至97％左右）。

在这一阶段部分紧贴盘管的较薄冰层的底部首先被融穿乃至发生破裂，形状不一的碎冰开始上浮，对管束外的环水造成了扰动，环水的自然对流得到强化，蓄冰槽传热性能得到短暂提高，环水温度缓慢升高。

随着融冰过程的进行，破碎的冰层越来越多，当大部分冰层都已破碎时，蓄冰槽内进入一个冰水混合物状态，环水自然对流的换热效率趋于稳定，使环水温度保持一段时间的平稳。

当环水温度再度迅速升高时，就进入第三阶段，此时蓄冰槽内的碎冰已基本融完，蓄冰槽传热性能急剧下降，在高温载冷剂作用下，环水温度迅速升高。

从图4a与图4b中还可以看出，在融冰末期环水下部C点出现的升温平台并不明显，B点出现的升温平台比A点早，而且升温平台低于A点0.7℃左右，其原因可能是在冰和水密度差的作用下碎冰上浮，从而使得槽内自下而上浮冰所起的作用由弱到强。

另外，对于较大的初始蓄冰量（图4b），由于产生的碎冰较多，其升温平台持续的时间较长，也比较明显。

3.2 载冷剂进口温度和流量对环水温度变化特性的影响
从上面的分析中可以看出，在融冰末期冰层破碎后形成的碎冰上浮，促进了环水的自然对流换热，并使环水升温过程陷入一段时间的停滞，而冰层破碎时间和破碎程度又与载冷剂的进口温度和流量有关，因此很有必要研究载冷剂进口温度和流量对融冰末期环水温度变化的影响。

图5是初始蓄冰量26RTh、载冷剂流量236m3/h条件下载冷剂进口温度分别为8℃和10℃时 A点温度变化的实验结果。

从图中可以看出当进口温度较高时，融冰末期环水的升温平台变得很不明显，只是升温趋势变缓了一点。

其原因可能是较高的载冷剂温度使冰层迅速融破，冰层破碎程度没有载冷剂温度较低时细致，没有形成一个均匀的冰水混合物状态，从而使环水没有出现一个明显的升温平台。

图6是初始蓄冰量18RTh、载冷剂进口温度8℃条件下载冷剂流量分别为2.36m3/h和1.65m3/h时B点温度变化的实验结果。

从图中可以看出，较小流量时B点的升温平台持续的时间较长，升温平台的温度略低，但总的来说这种影响并不是很大，这可能与载冷剂流量对蓄冰槽传热性能影响不大有关[5]。

当然，仅靠两组实验数据的对比分析是不够的，这有待于今后工作的进一步深入研究。

3结论
（1）在不完全冻结式冰盘管融冰末期，当冰层开始破碎并上浮后，管束外环水的自然对流得到强化，蓄冰槽的传热性能得到短暂提高。

（2）当蓄冰槽进入一个冰水混合物状态时，上部和中部环水温度会出现一个有利于融冰过程的1.3～2.5℃升温平台，其持续的时间受到初始蓄冰量、载冷剂进口温度和流量等因素的影响。

（3）实验表明，较大的初始蓄冰量，较低的进口温度和较小的载冷剂流量都会使升温平台持续较长的时间，这可为冰蓄冷系统的优化与运行控制提供参考。

参考文献
[1]方贵银. 蓄冷空调工程实用新技术［M］.北京：人民邮电出版社，2000.
[2] Nelson D J，B Vick，X Yu. Validation of the algorithm for iceonp ipe brine thermal storage systems［J］. ASHRAE Transactions，1996，10 2(1):5 5-62.
[3] Neto J H M, M Krarti. Experimental Validation of a Numerical Mode l fo r an Internal Melt IceOnCoil Thermal Storage Tank［J］. ASHRAE T ransactions ，1997，103(1):125-138.
[4]陈林. 不完全冻结方式的导热塑料蓄冰盘管传热性能研究[D]. 杭州：浙江大学，2002.
[5]周伟坤. 导热塑料盘管蓄冰槽传热性能的研究[D]. 杭州：浙江大学，2004.。